Virata corretta - Giulio Cesare Falco

Istituto Tecnico Settore Tecnologico
“ Giulio Cesare Falco ”
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L’Elicottero – Parte 2
a cura del prof. Luigi MASCOLO
SEDE CENTRALE: Via G. C. Falco - 81043 CAPUA (CE)
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1
Distretto Scolastico n° 17--- C.S. : CETF 05001R – TEL. O823991697
Sistema di controllo e comandi di volo
L’elicottero è in grado di traslare in qualsiasi direzione
inclinando nella direzione voluta il disco del rotore
principale. In tal modo la componente verticale della
portanza equilibra il peso, mentre quella orizzontale
provvede alla trazione. L’equazioni di equilibrio in volo
orizzontale uniforme si scrivono quindi :
P cos   Q  P'

Ps en  R
Piatto oscillante (swash plate)
L’inclinazione del disco rotore si ottiene, nella maggior parte dei
casi, attraverso il meccanismo di comando, denominato piatto
oscillante. Questo è un elemento costituito da due anelli
vincolati in modo da rimanere sempre paralleli tra loro a
distanza costante separati da un cuscinetto a sfere: la parte
inferiore è fissa, mentre quella superiore ruota in modo
solidale all’albero e alle pale. In particolare l’anello inferiore
fisso è inclinabile in tutte le direzioni (mediante la barra di comando
denominata passo ciclico) ed è movibile verticalmente scorrendo
lungo l’albero rotore (mediante la barra di comando del passo
collettivo).
Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo
Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO
Mediante le biellette o leve di passo (pitch links), una
per ogni pala del rotore, collegate ad una estremità al
piatto rotante ed all’altra estremità alla pala, si
trasmettono alle pale stesse il passo ciclico ed il passo
collettivo imposto dal pilota.
In particolare, il comando collettivo, imponendo lo spostamento
verso l’alto o verso il basso dell’assieme piatto oscillante,
produce rispettivamente un aumento o una diminuzione
simultanea ed uguale del passo di tutte le pale, movimento che,
come vedremo, consentirà di gestire il volo verticale.
Il comando ciclico, inclinando l’intero piatto oscillante, impone
l’inclinazione del disco rotore nel verso di avanzamento voluto e la
variazione, di conseguenza, del passo delle pale in funzione della
posizione lungo il giro di rotazione (passo ciclico). Ciò consente di
gestire il volo traslato. I due comandi, ciclico e collettivo, durante le
manovre possono essere impiegati in modo combinato e, pertanto,
sono miscelati mediante un cinematismo apposito.
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Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO
I comandi di volo dell’elicottero
Passo ciclico
Passo collettivo
Pedaliera
Il controllo longitudinale e
laterale
dell’elicottero
si
ottiene agendo sulla barra
situata davanti al pilota che
prende il nome di passo
ciclico. Agendo sul ciclico si va
ad orientare il rotore in
maniera tale da ottenere
l’inclinazione della risultante
aerodinamica necessaria per
lo
spostamento
nella
direzione e nel senso voluto.
Quando il pilota va a spostare
in avanti la leva, il cui rotore
gira in senso antiorario, le
biellette del piatto oscillante
si alzeranno ed andranno ad
incrementare il passo delle
pale che sono a sinistra; in tal
modo la portanza sarà
maggiore
sul
semidisco
posteriore e si avrà così la
traslazione
in
avanti
dell’elicottero. Spostando il
ciclico indietro l’elicottero si
sposterà all’indietro.
La leva situata a sinistra
del seggiolino del pilota
prende il nome di passo
collettivo;
quando
avviene il sollevamento
di
quest’ultimo,
si
provoca un aumento del
passo delle pale e quindi
un
conseguente
aumento dell’incidenza
dei vari profili con
conseguente aumento
della
portanza
che
provoca il sollevamento
del
velivolo.
Aumentando l’incidenza
delle pale, si avrà
ovviamente
anche
l’aumento
della
resistenza e quindi della
coppia
resistente:
conseguenza di ciò sarà
una diminuzione del
numero di giri RPM del
rotore e del motore.
Con la pedaliera il pilota gestisce il rotore di coda. In volo
rettilineo orizzontale e la pedaliera in posizione neutra, ad ogni
incremento di potenza (se il rotore ruota in senso antiorario)
corrisponde una rotazione dell’elicottero verso destra. Viceversa,
ad una riduzione di potenza  una rotazione verso sinistra; per
contrastare tali effetti e mantenere l’elicottero allineato, sarà
necessario premere il pedale sinistro a ogni incremento di
potenza, e il pedale destro ad ogni diminuzione. La pedaliera è
collegata ad un meccanismo di cambio del passo delle pale del
rotore di coda: quando di preme uno dei pedali, l’incidenza delle
pale del rotore di coda va ad aumentare o diminuire, generando
una devianza che farà ruotare la prua nella direzione desiderata.
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Volo verticale – passo collettivo
Per salire in verticale, il pilota deve provocare un aumento
dell’angolo di calettamento delle pale del rotore principale.
Questo avviene mediante una leva posta alla sinistra del pilota
che aziona il meccanismo chiamato passo collettivo. Chiaramente
l’aumento di incidenza oltre ad un aumentare il CP della pala,
aumenta anche il CR , e quindi aumenta la coppia assorbita dal
rotore. Per tale motivo è necessario aumentare la potenza
erogata dal motore per non ridurre eccessivamente la velocità di
rotazione del rotore.
Negli elicotteri a turbina il meccanismo collegato alla
leva del passo collettivo aziona il regolatore di giri della
turbina in modo da mantenere costante la velocità di
rotazione del rotore. Negli elicotteri con motori a
pistoni si deve agire sulla valvola a farfalla. Ad esempio
se il pilota, salendo, vuole aumentare la potenza,
dispone nell’impugnatura della leva del passo collettivo
di una manopola simile all’acceleratore delle
motociclette.
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Volo traslato
Durante il volo stazionario la velocità di rotazione delle pale è proporzionale alla distanza dal centro del disco;
di conseguenza l’angolo di incidenza rimane costante per tutto il giro. Nel volo traslato, le cose si complicano,
perché si ha una differenza di velocità di rotazione delle pale. In tale volo, infatti, per effetto della presenza
della componente v della velocità nel piano del disco, quest’ultimo risulta diviso in due parti : 0<y<180
(pala avanzante) e 180 <y <360 (pala arretrante). Gli effetti che ne derivano sono:
 Variazione ciclica dell’angolo di incidenza e asimmetria
di portanza che causa un effetto di rollio;
 Presenza del cerchio di inversione;
 Stallo d’urto dell’estremità della pala avanzante e
stallo di alta incidenza per quella della pala arretrante;
Variazione ciclica dell’incidenza
Poiché la velocità della pala avanzante è maggiore a
quella arretrante, sarà maggiore anche la portanza, di
conseguenza si crea una dissimmetria di portanza che
causa un effetto di rollio verso sinistra. La maggior parte
dei rotori è provvista di cerniere di flappeggio, che danno
la possibilità alla pala di sollevarsi, e fanno sì che la
portanza si riduca nel semicerchio DAC.
L’incidenza
della
pala
avanzante
si
riduce
progressivamente
ed aumenta quella della pala
arretrante. Pertanto avremo una variazione ciclica di
incidenza con i valori estremi indicati al lato.
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=90° → Da - max (calettamento minimo)
 =270° → Da  max (calettamento massimo
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Cerchio di inversione e stallo delle estremità
Durante il volo in transazione dell’elicottero, la velocità relativa della pala avanzante è molto elevata. Infatti
sulla sua estremità la velocità risultante è data dalla somma della velocità periferica e di quella di volo
(WA=VP+V ) e quindi se V è grande, si rischia facilmente di raggiungere il numero di Mach critico inferiore
entrando in campo transonico con i problemi legati alla formazione di onde d’urto. Si ha lo stallo d’urto della
pala (stallo ad alta velocità) con problemi di rumore e vibrazione. Infatti la pala si comporta come un’ala ad
elevato allungamento, quindi, nella regione di estremità, si verifica il fenomeno del distacco di vortici (vortice
a staffa) in cui si viene a trovare la pala successiva e quindi tutte le pale del rotore lavorano in un campo che
è perturbato dal passaggio della pala precedente, con una forte interazione dei sistemi vorticosi da essa
generati, il che produce importanti effetti a livello di vibrazione della pala stessa.
Al contrario sull’estremità della pala retrocedente la velocità
risultante è data dalla differenza W B=VP-V . Tale situazione
determina, in vicinanza del mozzo, una zona di flusso invertito [la
pala viene investita dalla corrente non dal bordo di attacco, ma in
corrispondenza del bordo di uscita] e, se V è molto grande, una
zona di stallo da basse velocità (stallo da alta incidenza)
all’estremità della pala retrocedente. Pertanto la condizione
aerodinamica di funzionamento della pala varia moltissimo
durante il giro, andando da un Mach che può essere molto basso
(addirittura nullo in certe regioni non lontane dalla radice della
pala) a un Mach che può arrivare a 0.8–0.9 in corrispondenza
dell’estremità, con variazioni significative dell’angolo di attacco.
Per tale motivo gli elicotteri, in genere, non possono superare
velocità dell’ordine di circa 300 km/h.
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Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO
L’ Autorotazione è una manovra di emergenza fondamentale per un elicottero che consente, in
caso di avaria dei motori o di carenza di carburante, di effettuare un atterraggio in condizioni di sicurezza.
Il pilota, in questa manovra, deve scollegare il il rotore dall’albero motore in modo che esso possa ruotare
in folle, mantenuto in rotazione dal flusso d’aria che lo investe dal basso verso l’alto. Perché ciò avvenga,
la forza aerodinamica generata dal rotore deve essere rivolta in avanti per fornire, con la sua componente
orizzontale, la forza capace di far ruotare il rotore. In autorotazione, le pale girano nello stesso verso di
quando sono azionate dal motore, il rotore risulta inclinato all’indietro e la coppia di reazione è nulla.
L’autorotazione dell’elicottero si può paragonare al volo planato dell’aeroplano, ma a differenza di
quest’ultimo si può verificare sia in discesa verticale che in discesa traslata ed è indispensabile che
appena il motore cessa di funzionare il pilota abbassi la leva del passo collettivo in modo da ridurre al
minimo il calettamento delle pale.
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Autorotazione in discesa verticale
Quando il rotore è scollegato dal motore e le pale portate
al passo minimo, Il disco attuatore è suddiviso in tre zone:
1) Zona di stallo: è posta tra l’asse del rotore e il 25% del
raggio della pala. In questa zona, la risultante w, tra la
velocità periferica VP (molto bassa) e quella di caduta VC ,
investe il profilo della pala con una angolo di incidenza
superiore a quello critico provocandone lo stallo.
2) Zona autorotativa: è compresa tra il 25% e il 75% del
raggio della pala. In questa zona, la risultante w, tra la
velocità periferica VP e quella di caduta VC , investe il
profilo della pala con una angolo di incidenza tale da
generare una forza aerodinamica inclinata in avanti, la cui
componente orizzontale mantiene in rotazione il rotore.
3) Zona anti-rotativa: è compresa tra il 75% e il 100% del
raggio della pala. In questa zona, la risultante w, tra la
velocità periferica VP (molto elevata) e quella di caduta VC ,
investe il profilo della pala con un piccolo angolo di
incidenza tale da generare una forza aerodinamica
inclinata all’indietro, la cui componente orizzontale si
oppone alla rotazione del rotore.
Chiaramente la condizione di equilibrio si raggiunge
quando le forze autorotative presenti nella zona centrale si
equivalgono alle forze antirotative presenti nelle altre due
zone e l’elicottero si stabilizza in discesa verticale ad una
velocità di 10-12 m/s con il rotore che ruota ad un numero
di giri più elevato di quello del normale volo.
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Autorotazione in discesa traslata
In questo caso oltre la velocità periferica VP e quella di
caduta VC , bisogna considerare anche la velocità di
traslazione V e la conseguente asimmetria che si crea
tra il semidisco di destra (pala avanzante) e quello di
sinistra (pala arretrante).
In questo caso, in aggiunta alle 3 zone di caratteristiche
aerodinamiche differenti presenti nell’autorotazione in
discesa verticale, si forma anche la zona del flusso
invertito. Da notare che per la predetta asimmetria le
zone di stallo, autorotazione e antirotazione risultano
decentrate rispetto all’asse del rotore.
La discesa in autorotazione traslata risulta più agevole
di quella verticale in quanto la velocità verticale è
minore (8-9 m/s) ed il pilota può manovrare per
raggiungere una zona più idonea all’atterraggio, agendo
sia sul passo ciclico che su quello collettivo.
N.B.
In relazione alla velocità e alla quota di volo non sempre è possibile effettuare una discesa in
autorotazione, per tale motivo sul manuale di volo degli elicotteri si trovano dei diagrammi che
indicano sia le quote “pericolose” che le velocità entro le quali è difficile, se non impossibile, effettuare
l’autorotazione. Tali diagrammi sono definiti dai piloti “diagramma dell’uomo morto”.
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